ITBO20110532A1 - Sistema di scarico di un motore a combustione interna provvisto di post-trattamento dei gas di scarico - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

“SISTEMA DI SCARICO DI UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA PROVVISTO DI POST-TRATTAMENTO DEI GAS DI SCARICOâ€

SETTORE DELLA TECNICA

La presente invenzione à ̈ relativa ad un sistema di scarico di un motore a combustione interna di tipo Diesel provvisto di post-trattamento dei gas di scarico.

ARTE ANTERIORE

Le future normative internazionali relative al contenimento delle emissioni di gas inquinanti prodotti dalle automobili (le cosiddette norme “Euro5†ed “Euro6†) prevedono un limite molto basso per le molecole NOxche possono venire rilasciati nell’atmosfera.

Il rispetto di tali limiti à ̈ particolarmente critico soprattutto per i motori Diesel; per tale motivo, à ̈ stato suggerito di dotare il sistema di scarico di un motore Diesel di un ulteriore catalizzatore SCR (Selective Catalytic Reduction) per NOxatto a convertire le molecole NOx(NO2o NO) in azoto (N2) che à ̈ un gas inerte e acqua (H20). La reazione di riduzione delle molecole NOxin azoto (N2) à ̈ difficile da ottenere senza l’utilizzo di un adeguato riducente che à ̈ stato generalmente individuato nell’ammoniaca (NH3). Il riducente deve essere iniettato all’interno del sistema di scarico ed a monte del catalizzatore SCR in modo da miscelarsi con i gas di scarico prima dell’ingresso nel catalizzatore SCR.

Tuttavia, immagazzinare ammoniaca all’interno di una automobile à ̈ sconsigliabile per evidenti motivi di sicurezza legati al fatto che l’ammoniaca à ̈ tossica. Di conseguenza, à ̈ stato proposto di immagazzinare ed iniettare una soluzione acquosa di urea, in quanto l’urea per effetto del calore dei gas di scarico e in parte anche per effetto catalitico si decompone in ammoniaca.

Un problema legato all’iniezione di una soluzione acquosa di urea nel sistema di scarico à ̈ legato al fatto che la decomposizione dell’urea determina la formazione anche di acido isocianico (HNCO), il quale potrebbe addensarsi e polimerizzare e quindi depositarsi sulle pareti interne del sistema di scarico formando delle incrostazioni solide difficilmente rimovibili. Inoltre, anche l’urea che si deposita sulle pareti interne del sistema di scarico può formare dei depositi solidi che formano delle incrostazioni solide difficilmente rimovibili.

Per evitare la polimerizzazione dell’acido isocianico prodotto dalla decomposizione dell’urea à ̈ stato proposto di inserire nel sistema di scarico ed in prossimità della zona di iniezione dell’urea un mescolatore, il quale formando della turbolenza nei gas di scarico impedisce l’addensamento localizzato dell’acido isocianico e quindi previene la polimerizzazione dell’acido isocianico stesso. Ovviamente, la presenza di un mescolatore che forma della turbolenza nei gas di scarico immediatamente prima dell’ingresso del gas di scarico stesso nel catalizzatore SCR aumenta anche l’efficienza del catalizzatore SCR in quanto rende più omogenea la dispersione del riducente (cioà ̈ dell’ammoniaca) nei gas di scarico.

La domanda di brevetto EP1514591A1 descrive un mescolatore, il quale à ̈ disposto in un sistema di scarico di un motore a combustione interna immediatamente a monte di un catalizzatore SCR che riceve i gas di scarico caldi miscelati ad additivi riducenti. Analogamente, anche le domande di brevetto EP1022048A1, DE10060808A1, WO0107763A1, WO9913972A1, WO9905402A1, WO9905401A1, EP1748162A1, DE10248294A1, WO0009869A1, WO2005073524A1, WO0112301A1, EP0526392A1, EP0894523A1 descrivono sistemi di scarico provvisti di mescolatori disposti in prossimità di iniettori di additivi riducenti.

Tuttavia, i mescolatori noti del tipo di quelli sopra descritti presentano l’inconveniente di non presentare un bilanciamento ottimale tra le esigenze contrapposte di efficacia (cioà ̈ di garantire un adeguato mescolamento dei gas di scarico) e di efficienza (cioà ̈ di limitare le perdite di carico nei gas di scarico). In altre parole, i mescolatori noti del tipo di quelli sopra descritti o presentano una bassa efficacia (cioà ̈ non garantiscono un adeguato mescolamento dei gas di scarico) oppure presentano una bassa efficienza (cioà ̈ provocano perdite di carico elevate nei gas di scarico).

DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE

Scopo della presente invenzione à ̈ fornire un sistema di scarico di un motore a combustione interna provvisto di post-trattamento dei gas di scarico, il quale sistema di scarico sia privo degli inconvenienti sopra descritti e, in particolare, sia di facile ed economica realizzazione.

Secondo la presente invenzione viene fornito un sistema di scarico di un motore a combustione interna provvisto di post-trattamento dei gas di scarico, secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

ï‚· la figura 1 Ã ̈ una vista schematica di un sistema di scarico di un motore a combustione interna provvisto di post-trattamento dei gas di scarico e realizzato in accordo con la presente invenzione;

 le figure 2-5 sono rispettive viste schematiche ed in prospettiva di un mescolatore e di un tegolo deviatore del sistema di scarico della figura 1 inseriti all’interno di un condotto di scarico;

ï‚· la figura 6 à ̈ una vista schematica e prospettica del mescolatore e del tegolo deviatore delle figure 2-5; e ï‚· le figure 7-9 sono rispettivamente una vista schematica e frontale, una vista schematica ed in pianta, ed una vista schematica e laterale del mescolatore e del tegolo deviatore delle figure 2-5. FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE

Nella figura 1, con il numero 1 à ̈ indicato nel suo complesso un sistema di scarico di un motore 2 a combustione interna operante secondo il ciclo “Diesel†(cioà ̈ alimentato a gasolio o simili).

Il sistema 1 di scarico emette i gas prodotti dalla combustione nell’atmosfera e comprende un condotto 3 di scarico che si origina da un collettore 4 di scarico del motore 2 a combustione interna. Lungo il condotto 3 di scarico sono disposti un catalizzatore 5 ossidante ed un filtro 6 antiparticolato (a titolo di esempio non limitativo il catalizzatore 5 ossidante ed il filtro 6 antiparticolato sono disposti uno di seguito all’altro all’interno di uno stesso contenitore tubolare comune).

Inoltre, lungo il condotto 3 di scarico ed a valle (rispetto al flusso dei gas di scarico lungo il condotto 3 di scarico) del catalizzatore 5 ossidante à ̈ disposto un sistema 7 catalitico SCR (Selective Catalytic Reduction) per il post-trattamento delle molecole NOx(NO e NO2). Il sistema 7 catalitico SCR può comprendere un unico catalizzatore 7 SCR come illustrato nella figura 1, oppure può comprendere un insieme (normalmente tre) di catalizzatori che ottimizzano insieme la funzione SCR per il post-trattamento delle molecole NOx.

A monte (rispetto al flusso dei gas di scarico lungo il condotto 3 di scarico) del sistema 7 catalitico, al condotto 3 di scarico à ̈ accoppiato un dispositivo 8 di iniezione, il quale à ̈ atto ad iniettare all’interno del condotto 3 di scarico stesso un additivo riducente ed in particolare una soluzione acquosa di urea (cioà ̈ una soluzione di urea e acqua). In uso, per effetto del calore dei gas di scarico presenti all’interno del condotto 3 di scarico l’urea iniettata all’interno del condotto 3 di scarico stesso si decompone spontaneamente in acido isocianico (HNCO) e ammoniaca (NH3), la quale ammoniaca opera come riducente all’interno del sistema 7 catalitico per facilitare la reazione di scomposizione delle molecole NOxin azoto (N2) e acqua (H2O).

Secondo quanto illustrato nelle figure 2-5, il condotto 3 di scarico presenta un asse 9 longitudinale ed à ̈ provvisto di una apertura 10 di iniezione passante ricavata attraverso una parete 11 laterale del condotto 3 di scarico stesso. Un condotto 12 di iniezione à ̈ collegato al condotto 3 di scarico in corrispondenza della apertura 10 di iniezione, sfocia nel condotto 3 di scarico attraverso l’apertura 10 di iniezione, e forma un angolo acuto con il condotto 3 di scarico (ovvero un asse longitudinale del condotto 12 di iniezione forma un angolo acuto con l’asse 9 longitudinale del condotto 3 di scarico). In altre parole, il condotto 12 di iniezione costituisce una appendice laterale del condotto 3 di scarico che si eleva a sbalzo dalla parete 11 laterale del condotto 3 di scarico in corrispondenza della apertura 10 di iniezione. Il dispositivo 8 di iniezione à ̈ inserito all’interno del condotto 12 di iniezione dal lato opposto rispetto alla apertura 10 di iniezione per iniettare all’interno del condotto 3 di scarico stesso l’additivo riducente; di conseguenza, il sistema 7 catalitico à ̈ disposto lungo il condotto 3 di scarico a valle (rispetto al flusso dei gas di scarico lungo il condotto 3 di scarico) della apertura 10 di iniezione (ovvero a valle del dispositivo 8 di iniezione).

Secondo quanto illustrato nelle figure 2-5, à ̈ previsto un mescolatore 13 statico, il quale à ̈ disposto all’interno del condotto 3 di scarico a valle (rispetto al flusso dei gas di scarico lungo il condotto 3 di scarico) della apertura 10 di iniezione (ovvero valle del dispositivo 8 di iniezione). Inoltre, à ̈ previsto un singolo tegolo 14 deflettore che à ̈ indipendente e separato dal mescolatore 13 statico, forma un angolo acuto con l’asse 9 longitudinale, ed à ̈ collegato a sbalzo alla parete 11 laterale del condotto 3 di scarico in prossimità del bordo della apertura 10 di iniezione per estendersi all’interno del condotto 3 di scarico in corrispondenza della apertura 10 di iniezione. In altre parole, il tegolo 14 deflettore presenta una estremità esterna che à ̈ fissata alla parete 11 laterale del condotto 3 di scarico in prossimità del bordo della apertura 10 di iniezione ed una estremità interna che à ̈ libera (ovvero non à ̈ collegata a nessun altro elemento) che à ̈ disposta in corrispondenza della luce della apertura 10 di iniezione.

L’insieme del mescolatore 13 statico e del tegolo 14 deflettore ha la funzione di generare delle turbolenze nei gas di scarico presenti all’interno del condotto 3 di scarico in modo da impedire l’addensamento localizzato dell’acido isocianico che si forma durante la decomposizione dell’urea e quindi prevenire la polimerizzazione dell’acido isocianico stesso ed anche in modo da aumentare l’efficienza del sistema 7 catalitico rendendo più omogenea la dispersione dell’ammoniaca nei gas di scarico.

Secondo quanto illustrato nelle figure 2-5, il tegolo 14 deflettore presenta una forma all’incirca trapezoidale (ovvero una forma a “delta†) avente una base maggiore che à ̈ collegata alla parete 11 laterale del condotto 3 di scarico in prossimità del bordo della apertura 10 di iniezione ed una base minore libera che si protende all’interno del condotto 3 di scarico; la base maggiore del tegolo 14 deflettore à ̈ inevitabilmente conformata ad arco di circonferenza per potere essere a contatto con la parete 11 laterale del condotto 3 di scarico. Preferibilmente, il tegolo 14 deflettore presenta una forma (leggermente) bombata trasversalmente (ovvero perpendicolarmente all’asse 9 longitudinale del condotto 3 di scarico); in altre parole, il tegolo 14 deflettore non à ̈ perfettamente piatto ma presenta una leggera bombatura trasversale. Preferibilmente, il tegolo 14 deflettore forma un angolo acuto compreso tra 20° e 40° con l’asse 9 longitudinale del condotto 3 di scarico.

Secondo quanto illustrato nelle figure 2-9, il mescolatore 13 statico comprende una pluralità di alette 15 deviatrici ciascuna delle quali forma un corrispondente angolo acuto con l’asse 9 longitudinale. Inoltre, il mescolatore 13 statico comprende una pluralità di pannelli 16 e 17 di supporto, ciascuno dei quali à ̈ parallelo all’asse 9 longitudinale del condotto 3 di scarico e supporta una serie di alette 15 deviatrici che si originano da un bordo del pannello 16 o 17 di supporto. In altre parole, ciascuna aletta 15 deviatrice presenta una prima estremità che à ̈ fissata senza soluzione di continuità ad un bordo del corrispondente pannello 16 o 17 di supporto (e quindi à ̈ parallela ed allineata con il bordo del corrispondente pannello 16 o 17 di supporto) ed una seconda estremità che à ̈ libera (ovvero non à ̈ collegata a nessun altro elemento). Ciascuna aletta 15 deviatrice forma un corrispondente angolo acuto con il corrispondente pannello 16 o 17 di supporto.

Secondo una preferita forma di attuazione, il mescolatore 13 statico comprende due pannelli 16 di supporto orizzontali che sono tra loro paralleli, e due pannelli 17 di supporto verticali che sono tra loro paralleli e sono perpendicolari ai pannelli 16 di supporto orizzontali. I quattro pannelli 16 e 17 di supporto formano una struttura “a scala†in cui i pannelli 16 di supporto orizzontali costituiscono le spalle della scala ed i pannelli 17 di supporto verticali costituiscono i gradini della scala. Ciascun pannello 16 di supporto orizzontale presenta due estremità opposte che sono fissate alla parete 11 laterale del condotto 3 di scarico; quindi il mescolatore 13 statico à ̈ sostenuto all’interno del condotto 3 di scarico mediante i quattro punti di collegamento tra le estremità opposte dei pannelli 16 di supporto orizzontale e la parete 11 laterale del condotto 3 di scarico.

Ciascun pannello 16 di supporto orizzontale supporta due alette 15 deviatrici che sono tra loro parallele e sono inclinate in modo opposto rispetto alle due alette 15 deviatrici dell’altro pannello 16 di supporto orizzontale; in altre parole, le due alette 15 deviatrici di un pannello 16 di supporto orizzontale formano con l’asse 9 longitudinale del condotto 3 di scarico un angolo opposto rispetto all’angolo formato con l’asse 9 longitudinale del condotto 3 di scarico dalle due alette 15 deviatrici dell’altro pannello 16 di supporto orizzontale.

Ciascun pannello 17 di supporto verticale supporta due alette 15 deviatrici che sono tra loro inclinate in modo opposto; in altre parole, una aletta 15 deviatrice di uno stesso pannello 17 di supporto verticale forma con l’asse 9 longitudinale del condotto 3 di scarico un angolo opposto rispetto all’angolo formato con l’asse 9 longitudinale del condotto 3 di scarico dall’altra aletta 15 deviatrice dello stesso pannello 17 di supporto verticale.

E’ importante osservare che secondo equivalenti forme di attuazione non illustrate, il mescolatore 13 statico potrebbe comprendere un diverso numero di pannelli 16 e 17 di supporto e/o un diverso numero di alette 15 deviatrici.

Secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, il dispositivo 8 di iniezione à ̈ disposto a monte del catalizzatore 5 ossidante per iniettare all’interno del condotto 3 di scarico del combustibile (ad esempio gasolio) che brucia all’interno del catalizzatore 5 ossidante per aumentare la temperatura interna del catalizzatore 5 ossidante stesso durante un processo di rigenerazione del filtro 6 antiparticolato. In questo caso, l’insieme del mescolatore 13 statico e del tegolo 14 deflettore à ̈ disposto a monte del catalizzatore 5 ossidante.

L’insieme del mescolatore 13 statico e del tegolo 14 deflettore sopra descritto presenta numerosi vantaggi, in quanto à ̈ di semplice ed economica realizzazione, à ̈ particolarmente robusto (quindi presenta una vita operativa elevata ed un rischio di rotture molto basso) e soprattutto presenta un bilanciamento ottimale tra le esigenze contrapposte di efficacia (cioà ̈ di garantire un adeguato mescolamento dei gas di scarico) e di efficienza (cioà ̈ di provocare perdite di carico limitate nei gas di scarico). In altre parole, l’insieme del mescolatore 13 statico e del tegolo 14 deflettore sopra descritto presenta nel contempo una elevata efficacia (cioà ̈ garantisce un adeguato mescolamento dei gas di scarico) ed una elevata efficienza (cioà ̈ di provoca perdite di carico contenute nei gas di scarico).

Claims (11)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1) Sistema (1) di scarico di un motore (2) a combustione interna; il sistema (1) di scarico comprende: un condotto (3) di scarico che presenta un asse (9) longitudinale ed à ̈ provvisto di una apertura (10) di iniezione passante ricavata attraverso una parete (11) laterale del condotto (3) di scarico stesso; un condotto (12) di iniezione che à ̈ collegato al condotto (3) di scarico in corrispondenza della apertura (10) di iniezione, sfocia nel condotto (3) di scarico attraverso l’apertura (10) di iniezione, e forma un angolo acuto con l’asse (9) longitudinale del condotto (3) di scarico; almeno un sistema (7) catalitico che à ̈ disposto lungo il condotto (3) di scarico a valle della apertura (10) di iniezione; un dispositivo (8) di iniezione, il quale à ̈ inserito all’interno del condotto (12) di iniezione dal lato opposto rispetto alla apertura (10) di iniezione per iniettare all’interno del condotto (3) di scarico un additivo attraverso l’apertura (10) di iniezione stessa; ed un mescolatore (13) statico, il quale à ̈ disposto all’interno del condotto (3) di scarico a valle della apertura (10) di iniezione e comprende una pluralità di alette (15) deviatrici ciascuna delle quali forma un corrispondente angolo acuto con l’asse (9) longitudinale; il sistema (1) di scarico à ̈ caratterizzato dal fatto di comprendere un singolo tegolo (14) deflettore che à ̈ indipendente e separato dal mescolatore (13) statico, forma un angolo acuto con l’asse (9) longitudinale, ed à ̈ collegato a sbalzo alla parete (11) laterale del condotto (3) di scarico in prossimità del bordo della apertura (10) di iniezione per estendersi all’interno del condotto (3) di scarico in corrispondenza della apertura (10) di iniezione.
2. 2) Sistema (1) di scarico secondo la rivendicazione 1, in cui il tegolo (14) deflettore presenta una forma all’incirca trapezoidale avente una base maggiore che à ̈ collegata alla parete (11) laterale del condotto (3) di scarico in prossimità del bordo della apertura (10) di iniezione ed una base minore libera che si protende all’interno del condotto (3) di scarico.
3. 3) Sistema (1) di scarico secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il tegolo (14) deflettore presenta una forma a “delta†.
4. 4) Sistema (1) di scarico secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, in cui il tegolo (14) deflettore presenta una forma bombata trasversalmente.
5. 5) Sistema (1) di scarico secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui il tegolo (14) deflettore forma un angolo acuto compreso tra 20° e 40° con l’asse (9) longitudinale del condotto (3) di scarico.
6. 6) Sistema (1) di scarico secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui il mescolatore (13) statico comprende una pluralità di pannelli (16, 17) di supporto, ciascuno dei quali à ̈ parallelo all’asse (9) longitudinale e supporta una serie di alette (15) deviatrici che si originano da un bordo del pannello (16; 17) di supporto.
7. 7) Sistema (1) di scarico secondo la rivendicazione 6, in cui il mescolatore (13) statico comprende due pannelli (16) di supporto orizzontali che sono tra loro paralleli, e due pannelli (17) di supporto verticali che sono tra loro paralleli e sono perpendicolari ai pannelli (16) di supporto orizzontali.
8. 8) Sistema (1) di scarico secondo la rivendicazione 7, in cui ciascun pannello (16) di supporto orizzontale supporta due alette (15) deviatrici che sono tra loro parallele e sono inclinate in modo opposto rispetto alle due alette (15) deviatrici dell’altro pannello (16) di supporto orizzontale.
9. 9) Sistema (1) di scarico secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui ciascun pannello (17) di supporto verticale supporta due alette (15) deviatrici che sono tra loro inclinate in modo opposto.
10. 10) Sistema (1) di scarico secondo la rivendicazione 7, 8 o 9, in cui i quattro pannelli (16, 17) di supporto formano una struttura “a scala†.
11. 11) Sistema (1) di scarico secondo una delle rivendicazioni da 7 a 10, in cui ciascun pannello (16) di supporto orizzontale presenta due estremità opposte che sono fissate alla parete (11) laterale del condotto (3) di scarico.